柳升龍

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 哈爾濱 150030)

●電力信息及通信●

用電信息采集及管理系統(tǒng)高仿真智能實訓(xùn)室的設(shè)計

柳升龍

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 哈爾濱 150030)

隨著電力系統(tǒng)信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場設(shè)備多、技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)日益凸顯，對運(yùn)維人員的技能水平要求也越來越高。為了滿足運(yùn)維人員培訓(xùn)要求，設(shè)計了用電信息采集及管理系統(tǒng)高仿真智能實訓(xùn)室，滿足培訓(xùn)要求的同時還可以投入在校學(xué)生的教學(xué)應(yīng)用。實訓(xùn)室建立了獨(dú)立的采集系統(tǒng)，配備現(xiàn)場應(yīng)用的主流測試裝置并模擬現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況，盡可能滿足用采人員技能培訓(xùn)的要求。

用電信息采集系統(tǒng)；培訓(xùn)；智能；實訓(xùn)室；終端模擬；

熟悉電力系統(tǒng)用電信息計量裝置的使用，掌握采集設(shè)備的安裝使用，并能對常見故障進(jìn)行處理，在學(xué)會電能計量系統(tǒng)常用工具使用的基礎(chǔ)上，掌握整個系統(tǒng)的工作流程，這些是建設(shè)高仿真智能實訓(xùn)室的目的。

由于電信息采集系統(tǒng)更新快，現(xiàn)場計量設(shè)備、采集設(shè)備眾多，使得基層人員對國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)缺少理解，用電信息采集系統(tǒng)及現(xiàn)場設(shè)備不能準(zhǔn)確、熟練掌握及使用[1]。這就需要一種培訓(xùn)系統(tǒng)，能夠模擬實際采集系統(tǒng)的運(yùn)行模式，滿足維護(hù)人員技能培訓(xùn)的要求，用電信息采集及管理系統(tǒng)高仿真智能實訓(xùn)室的設(shè)計完全能滿足現(xiàn)場需求，本文詳細(xì)介紹系統(tǒng)的總體設(shè)計和分層設(shè)計。

1 總體設(shè)計

電能計量系統(tǒng)及用電信息采集系統(tǒng)按照電網(wǎng)企業(yè)的最新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)包含了發(fā)電部分、變電部分、輸電部分、配電部分及其他用電層次中電能計量裝置和站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用[1]。系統(tǒng)由系統(tǒng)主站和站端設(shè)備構(gòu)成，系統(tǒng)主站與終端設(shè)備基于GPRS/CDMA、工業(yè)以太網(wǎng)等多種信道進(jìn)行通訊，系統(tǒng)上行通訊遵循IEC62056協(xié)議。站端設(shè)備由采集終端、各規(guī)格電能表、手持設(shè)備等具備電能計量功能的設(shè)備組成。

1.1 智能實訓(xùn)室系統(tǒng)設(shè)計

1.1.1 現(xiàn)場設(shè)備系統(tǒng)圖

實訓(xùn)室現(xiàn)場設(shè)備系統(tǒng)采用機(jī)柜式設(shè)計，如圖1所示。圖1中3個虛線框為3個機(jī)柜內(nèi)的計量和采集設(shè)備，分別仿真發(fā)電廠、一次變和二次變的計量、采集設(shè)備。66kV二次變引出3條10kV線路，#1線路帶5個專變仿真用戶，#2線路帶6個公變仿真用戶，#3線路帶5個專變仿真用戶和4個公變仿真用戶。

1.1.2 系統(tǒng)層次圖

本系統(tǒng)采用先進(jìn)的信息和通信技術(shù)，利用采集器、集中器、大用戶負(fù)荷管理終端、廠站電能量遠(yuǎn)方采集終端等各類型信息采集終端設(shè)備和光纖通信、230M無線專網(wǎng)通信、GPRS無線公網(wǎng)通信、以太網(wǎng)通信、全載波及半載波通信等多種通信方式，采集、傳輸用電信息并對電力系統(tǒng)實施監(jiān)視和控制。通過配置獨(dú)立而完整的用電信息采集系統(tǒng)主站設(shè)備，完成數(shù)據(jù)采集和管理、網(wǎng)損管理、營銷管理和負(fù)荷管理等，并完全實現(xiàn)四系統(tǒng)平臺一體化[2]。

仿真裝置可以模擬各電壓等級輸電線路的線損，模擬升壓、降壓變壓器的各種損耗，設(shè)定每個計量點(diǎn)的負(fù)荷性質(zhì)(感性、容性和阻性等)及負(fù)荷大小[3]?？蓪崿F(xiàn)總分表關(guān)系的模擬，設(shè)置各種計量表計、信息采集終端設(shè)備的錯誤接線及故障，設(shè)置各種通信信道的故障等。同時可針對用電營業(yè)、用電檢查和計量等專業(yè)的負(fù)荷管理系統(tǒng)運(yùn)維人員、抄表核算收費(fèi)人員和供用電技術(shù)專業(yè)的在校學(xué)生進(jìn)行技能培訓(xùn)和業(yè)務(wù)考核[4]。

圖1 實訓(xùn)室計量采集設(shè)備系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of measurement collection system in training room

實訓(xùn)室系統(tǒng)層次示意圖如圖2所示。實訓(xùn)室系統(tǒng)設(shè)計主要分為6層，從下至上包含計量部分、采集部分、數(shù)據(jù)的傳輸以及信息的匯總分析，對實際的采集系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行了全過程模擬。

第1層：計量表計層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，根據(jù)計量點(diǎn)類型不同，分為關(guān)口表、專變用戶表、普通居民表，覆蓋電力系統(tǒng)各種計量等級和類型的電能表。

第2層：采集設(shè)備層主要分發(fā)電廠和變電所采集終端、公變集中器、專變終端和采集器四大類。所有設(shè)備符合電力入網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范、型式規(guī)范和通訊協(xié)議要求。

第3層：檢測體系層是保證采集設(shè)備各種性能是否符合堅強(qiáng)電網(wǎng)要求的強(qiáng)有力保證，包括通訊性能檢測設(shè)備和平臺、終端檢測軟件和虛擬電能表軟件。

第4層：信息采集和手持設(shè)備是用電信息采集系統(tǒng)必備的定位、抄表、閥控、交互和電力信息升值的有效設(shè)備，由各種便攜、智能、專業(yè)的手持終端組成。

第5層：上行通道是現(xiàn)場采集設(shè)備、智能手持設(shè)備與主站交互的多類型通道，主要包括無線GPRS、CDMA、3G網(wǎng)絡(luò)、以太數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和專用光線通訊網(wǎng)等。

第6層：系統(tǒng)主站軟件主要包括信息采集系統(tǒng)、線損管理系統(tǒng)和售電系統(tǒng)。

采集系統(tǒng)不僅采集表計的各種數(shù)據(jù)，還可通過手持終端對電力設(shè)備實現(xiàn)定位、識別、補(bǔ)抄、閥控以及交互等功能。線損管理系統(tǒng)訪問采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，達(dá)到線損實時管理的目的[5]。售點(diǎn)系統(tǒng)不僅對電力系統(tǒng)人員開放，居民用戶和專變用戶也可以進(jìn)行查詢、繳費(fèi)等。三種系統(tǒng)軟件緊密結(jié)合，最終達(dá)到采、售、管一體的用電信息管理系統(tǒng)。

1.2 實訓(xùn)室布局設(shè)計

實訓(xùn)室主要由現(xiàn)場設(shè)備培訓(xùn)區(qū)、主站設(shè)備區(qū)和教學(xué)區(qū)組成[6]。

現(xiàn)場設(shè)備培訓(xùn)區(qū)模擬實際電力系統(tǒng)用戶端計量及采集設(shè)備構(gòu)成，維護(hù)人員可以通過模擬計量及采集終端的操作，熟悉不同廠商產(chǎn)品的調(diào)試及設(shè)置。培訓(xùn)區(qū)由3個廠站培訓(xùn)機(jī)柜、10個專變培訓(xùn)機(jī)柜、5個公變培訓(xùn)機(jī)柜及3個功率源機(jī)柜組成。

主站設(shè)備區(qū)主要由主站服務(wù)器(采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器三合一)、打印機(jī)、主站通訊設(shè)備機(jī)柜和采集設(shè)備通訊性能測試機(jī)柜組成。布置主站采集軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、分析，并對外提供應(yīng)用及打印等功能。

圖2 實訓(xùn)室系統(tǒng)層次示意圖Fig.2 Schematic diagram of system hierarchy in training room

教學(xué)區(qū)主要由工作站區(qū)(包含10組學(xué)員工作站、1組教師工作站和11套智能信息手持設(shè)備)和投影教學(xué)區(qū)組成。

2 分層設(shè)計

2.1 計量表計的分布設(shè)計

實訓(xùn)室模擬現(xiàn)場環(huán)境安裝多塊關(guān)口表及模擬表，廠站教學(xué)機(jī)柜均設(shè)計為1臺；發(fā)電廠實訓(xùn)機(jī)柜包含2塊關(guān)口表，1塊仿真表；一次變實訓(xùn)機(jī)柜包含3塊關(guān)口表，1塊模擬表；二次變實訓(xùn)機(jī)柜包含5塊關(guān)口表。廠站表計和終端布局圖如圖3所示。

專變實訓(xùn)機(jī)柜為10套，每套包含4塊三相專變用戶表，分別代表在高壓側(cè)，低壓總表和2條線路計量點(diǎn)，如圖4所示。

公變實訓(xùn)機(jī)柜為10套，其中1套集中器下行通道為全載波+半載波方式，包含2組半載波(每組1塊采集器，3塊單相485表)，1組全載波(4塊單相載波、1塊三相載波表)，如圖5所示。另外9套為全載波通訊方式，如圖6所示，包含2塊3相載波，8塊單相載波。

圖3 廠站表計和終端布局圖Fig.3 Substation meters and terminal layout

圖4 專變布局 圖5 全載波+半載波公變 圖6 全載波公變Fig.4 Special Fig.5 Full carrier plus half Fig.6 Full carrier transformer layout carrier common transformer common transformer

對于載波抄表的公變實訓(xùn)臺電能表載波通訊模塊配置鼎信、東軟、瑞斯康3家載波模塊，用以實現(xiàn)各載波模塊的互換操作，使學(xué)員對載波模塊的互換性有實際操作經(jīng)驗。

2.2 采集設(shè)備的分布設(shè)計

采集設(shè)備采用實際現(xiàn)場普遍應(yīng)用的廠家的專變終端、集中器及采集器。采集設(shè)備布局說明如圖3-6所示，采集設(shè)備統(tǒng)計如表1所示。

表1 采集設(shè)備統(tǒng)計Table 1 Collection devices statistics

2.3 檢測平臺及檢測軟件

2.3.1 檢測的重要性

國網(wǎng)公司制定了一系列采集終端通訊標(biāo)準(zhǔn)，眾多廠家都根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計出了相關(guān)產(chǎn)品。但由于開發(fā)和生產(chǎn)能力有較大差異，最終投入到應(yīng)用中的產(chǎn)品必須通過檢驗才能入網(wǎng)運(yùn)行。采集終端的檢測是電網(wǎng)公司計量中心的一個重要任務(wù)，檢測平臺和檢測軟件是檢驗采集終端的重要手段。

2.3.2 通訊性能檢測平臺

該平臺依據(jù)《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，是仿真實際應(yīng)用中出現(xiàn)的各種影響因素，針對電力線載波和RS485通信信道的性能評價平臺，此外還可實現(xiàn)對采集設(shè)備的協(xié)議測試、功能測試?？茖W(xué)客觀地評價各廠家的采集設(shè)備，達(dá)到保證用電信息采集系統(tǒng)采集設(shè)備可靠、安全運(yùn)行的最終目標(biāo)。圖7為通訊性能檢測機(jī)柜和檢測主站，在實訓(xùn)室建設(shè)中，可把檢測主站軟件安裝在服務(wù)器和各工作站中運(yùn)行。

圖7 通訊性能檢測設(shè)備功能框圖Fig.7 Functional block diagram of communication capacity test equipment

2.3.3 虛擬電能表軟件

虛擬電能表軟件主要功能是將硬件電能表的通訊協(xié)議功能采用軟件實現(xiàn)，模擬多種電能表通訊協(xié)議和國內(nèi)主要載波廠商的主流載波協(xié)議?？伸`活配置協(xié)議、通訊參數(shù)。在檢測環(huán)境下，配合適當(dāng)硬件接口，不僅代替了實際電能表的功能，而且操作靈活，協(xié)議可升級擴(kuò)展，更重要的是避免了重復(fù)繁雜的人工接線。

虛擬電能表支持多種載波協(xié)議，且通訊協(xié)議可根據(jù)實際需要定制?？商摂M多個通道，同時支持抄表口達(dá)52個，每個抄表口虛擬電能表個數(shù)不限，虛擬電能表通訊規(guī)約不限。軟件操作方便，可顯示、存儲、解析，并可與檢測軟件核對數(shù)據(jù)一致性。

2.3.4 廠站終端檢測軟件

廠站終端檢測軟件可以實現(xiàn)多主站多通道方式檢測。支持包括GPRS無線、以太網(wǎng)、Modem撥號、Modem專線四種主站通訊方式的硬件通訊參數(shù)的分別配置及存儲功能。

軟件可顯示當(dāng)前正在進(jìn)行的測試項目，顯示上線集中器的IP地址、邏輯名稱、狀態(tài)等信息，檢驗下行采集通訊規(guī)約和上行主站通訊規(guī)約正確性并顯示測試過程。

在GPRS無線通訊方式下，可通過界面設(shè)定終端心跳時間，并對心跳時間進(jìn)行校驗。讀歷史數(shù)據(jù)時，對于多幀數(shù)據(jù)，重發(fā)確認(rèn)幀3次并對返回數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。能對不同通訊方式、多測試項進(jìn)行單獨(dú)連續(xù)測試，與模擬電能表檢測軟件具有通訊接口，可檢驗采集器采集數(shù)據(jù)的真實性。用戶管理能進(jìn)行用戶及密碼的設(shè)定和修改，最終測試結(jié)果以Excel文件的形式存儲，并可打印輸出。

2.4 手持設(shè)備

2.4.1 電力設(shè)備GPS定位終端

用電信息采集系統(tǒng)中的計量設(shè)備、采集設(shè)備、計量箱數(shù)量眾多，給管理帶來一定的不便。電力設(shè)備GPS手持定位設(shè)備通過掃描設(shè)備與手機(jī)通訊確定設(shè)備資產(chǎn)編號，再由GPS快速定位現(xiàn)場設(shè)備，通過GPRS與采集主站實時通訊，達(dá)到系統(tǒng)檔案管理、快速準(zhǔn)確定位現(xiàn)場設(shè)備的目的，目前已廣泛應(yīng)用于省公司各供電局，得到用戶好評。

此系統(tǒng)基于Windows Mobile嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)，結(jié)合GPRS、藍(lán)牙、全球定位等技術(shù)，具有定位準(zhǔn)確、操作簡單、性能穩(wěn)定、攜帶方便等特點(diǎn)。

2.4.2 智能抄表閥控終端

電力用戶信息采集系統(tǒng)中，電力線載波通訊技術(shù)(PLC)和GPRS通訊技術(shù)得到廣泛推廣和應(yīng)用。集中器通過PLC采集各種電能表數(shù)據(jù)，再通過GPRS傳輸?shù)讲杉髡?。智能電能表的?yīng)用為營銷部門實現(xiàn)管理用戶欠費(fèi)停電和繳費(fèi)送電。但實際應(yīng)用中由于載波通訊干擾或GPRS網(wǎng)絡(luò)通斷，致使某些用戶不能及時送電，致使大量用戶投訴。智能抄表閥控終端通過紅外抄表、閥控、條碼掃描、載波通訊等技術(shù)，解決了此問題，在各電業(yè)局得到廣泛應(yīng)用。

以往的電表廠家只掌握各自廠家電表的操作密碼，需要運(yùn)維人員保存多套閥控程序?qū)Ω鱾€廠家的電表進(jìn)行閥控，增加了運(yùn)維人員的工作量。現(xiàn)已開發(fā)出通用的智能抄表閥控終端閥控程序，不僅能對各個廠家的電表進(jìn)行紅外閥控，還能配合載波轉(zhuǎn)換器及紅外485轉(zhuǎn)換器進(jìn)行載波閥控和485閥控，極大地方便了運(yùn)維人員的工作，此次實訓(xùn)室的建設(shè)也包含了此功能的開發(fā)及培訓(xùn)。

2.5 通道及主站設(shè)備

上行通道是現(xiàn)場采集設(shè)備、智能手持設(shè)備與主站交互的多類型通道，主要包括無線GPRS、CDMA、3G網(wǎng)絡(luò)、以太數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和專用光線通訊網(wǎng)等。

省級信息采集系統(tǒng)中采用與移動運(yùn)營商建立APN專網(wǎng)，各農(nóng)電局采用公網(wǎng)。實訓(xùn)室的規(guī)模適合采用具有固定IP地址的公網(wǎng)。連接到主站的網(wǎng)絡(luò)即可建立主站無線通道，各采集設(shè)備安裝公網(wǎng)SIM卡后可與主站建立無線通訊。各發(fā)電廠和一次變電所以及多數(shù)二次變電所光纖通道都已接通，廠站終端與各級調(diào)度系統(tǒng)之間通過專線或撥號MODEM進(jìn)行通訊。主站系統(tǒng)中配備MODEM池實現(xiàn)專線和撥號，同時配備光端機(jī)實現(xiàn)電力通訊網(wǎng)中的專線通道。廠站終端與各級部門之間必須具備以太網(wǎng)通道用于與MODEM通訊互為補(bǔ)充。同時各級配電網(wǎng)采集設(shè)備也具有以太網(wǎng)接口。配電網(wǎng)各級設(shè)備與主站間通過以太網(wǎng)通道通訊成為必然趨勢，因此，在實訓(xùn)室建設(shè)中除無線外網(wǎng)網(wǎng)線外，需要建立一組以太局域網(wǎng)，用于與現(xiàn)場終端通訊以及各工作站與主站服務(wù)器之間通訊。該部分包括主站服務(wù)器和通訊設(shè)備機(jī)柜1臺，采集設(shè)備檢測裝置機(jī)柜1臺，主站工作站1臺和柜體控制工作站1套。主站工作站包括工作站顯示器1臺，打印機(jī)1臺。

2.6 主站系統(tǒng)

本系統(tǒng)所采用的面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)基于DLMS/COSEM構(gòu)架，系統(tǒng)具有準(zhǔn)確度高、完整性強(qiáng)、開放性廣、操作性方便及安全性高等特點(diǎn)。由于系統(tǒng)涉及面廣，需要面向?qū)ο蠖?，因此系統(tǒng)需要分層、分期建設(shè)。對于此系統(tǒng)的建設(shè)需要提出更高、特殊的要求，這些特點(diǎn)決定了系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循可靠、開放、安全、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、完整、先進(jìn)的原則[7]。

3 結(jié) 論

用電信息采集及管理系統(tǒng)高仿真智能實訓(xùn)室的設(shè)計和應(yīng)用具有重大意義，能夠使基層人員對國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的設(shè)計理念有更深刻的理解，基本的計算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用技術(shù)得到提高，達(dá)到對用電信息采集系統(tǒng)能進(jìn)行準(zhǔn)確、熟練操作應(yīng)用的程度。通過本實訓(xùn)系統(tǒng)的培訓(xùn)，維護(hù)人員不僅能夠掌握電力系統(tǒng)在運(yùn)行的電能計量的相關(guān)知識，也能夠應(yīng)對采集設(shè)備的不斷更新及采集系統(tǒng)的持續(xù)升級的需要及時進(jìn)行知識更新。實訓(xùn)系統(tǒng)對電力系統(tǒng)學(xué)生進(jìn)行模擬培訓(xùn)，能夠保證其走向工作崗位后與實際工作的無縫銜接。實訓(xùn)系統(tǒng)已在電力職業(yè)學(xué)院建設(shè)完成，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試、測試已經(jīng)進(jìn)入試運(yùn)行階段，功能上已經(jīng)能夠完全模擬現(xiàn)場采集系統(tǒng)的工作機(jī)制。在日常采集業(yè)務(wù)維護(hù)中遵循規(guī)范、穩(wěn)定、順暢、有效的原則，輔助系統(tǒng)在各個層面、各個環(huán)節(jié)協(xié)同工作，保證企業(yè)管理與信息化建設(shè)的順利進(jìn)行。隨著電力系統(tǒng)信息技術(shù)的發(fā)展，實訓(xùn)室系統(tǒng)也需要進(jìn)行更新升級，以滿足服務(wù)電力的宗旨。

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(編輯 侯世春)

Electricity information collection and management system Design of high simulation intelligent training room

LIU Shenglong

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030, China)

With the rapid development of information technology in the electric power system, the growing site devices, complex technology and other characteristics are increasingly prominent. Thus, the requirements for operation and maintenance personnel skill level are increasingly high. In order to meet training demands of operation and maintenance personnel, highly-simulated intelligent training room of power information collection and management system is designed, which at the same time enables students engaged in the teaching application. An independent information collection system is set up in the training room, equipped with the mainstream test equipment for field application and the operation status of the field equipment is simulated. It is to meet the the requirements of operation and maintenance personnel as much as possible.

power information collection system; training; intelligence; training room; terminal simulation

2017-02-15。

柳升龍(1962—),男,高級工程師,主要研究方向為電力信息化、輸變電系統(tǒng)智能巡檢。

TM933.4

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2095-6843(2017)03-0259-06